碳纤维轴类成型

P表 =
•装料量的估算
p单 f 制品 P最大 T压机
× 1000
一般是先进行粗略估算，然后经几次试压后再找出准确的加料量。加料量的计算一 般是用该模压料制品的相对密度乘上制品的体积，再加上3%~5%的挥发消耗。
SMC成型模具示意图
采用模压成型工艺制造碳纤维轴类零件的特点是生产效率高；制品尺寸精确，表面 光洁；易实现机械化合自动化且可以一次成型，无需有损碳纤维零件的二次加工。 但是也存在一些缺点，如压机、压模的设计与制造较复杂，初次投资高，制品尺寸 受设备限制，一般只适于制造中、小型制品。 除了以上介绍的三种方法外，还有其他一些成型方法，比如注射成型、树脂转移模 塑成型等。
纤维缠绕图案示意图
•缠绕规律的设计 1. 选择缠绕规律的要求：缠绕角 α 要与测地线缠绕 纤维缠绕示意图 角相近，以便更好地发挥碳纤维的强度；为避免极 孔附近纤维的架空，影响头部强度，所选缠绕规律在封头孔处的相切次数不宜过 多。；头部包角 β 应接近于180℃，否则会使纤维在头部引起打滑。 2. 选择缠绕规律的步骤：（1） 一般情况下，把筒身圆周分为4等分，即取n=4,若 分别取K=1、2、3、4，则缠绕规律便有4种类型：
碳纤维轴类零件成型技术
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一、碳纤维的性质
碳纤维的力学性能
碳纤维材料最主要的2个物理特性就是：高比强、高比模。而且耐疲劳，故可 以用来制造强而硬、刚而薄的构件，随着科学的进步和技术的发展，以及市场的 需求，使得碳纤维材料得到了广泛的应用。
二、碳纤维复合材料（CFPR） 碳纤维复合材料（CFPR）
碳纤维因其优异的性能应用于各个领域，但是它的制造成本较高，将碳纤 维作为增强材料添加到不同的基体当中，让它们彼此取长补短，于是有了 一系列的碳纤维复合材料。这些碳纤维复合材料依然具有高的比强度和比 模量，并且有着良好的耐磨性、耐疲劳、抗氧化性和良好的摩擦性能。可 用来制造薄而刚、轻而强的构件。 碳纤维复合材料主要有碳纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强碳基复合 材料、碳纤维增强金属基复合材料、碳纤维增强陶瓷基复合材料等。因为 基体材料的不同，不同基体的碳纤维复合材料有着各自的使用温度。
目前模具的类型有很多，像铝合金模具、机械加工合金钢和镍铸模具的热膨胀系数 （CTE）大，不适合制造CTE底的碳纤维复合材料制品；而铁-镍系电铸模具CTE底可 用来制造与其（CTE）相近的形状复杂的CFPR，且热性能较好，但模具重量大，升温 性能差。此外还有整体石墨模具和湿法层普复合材料模具个项性能都比较好，可用 来制造CFPR制品。 •成型压力的计算 在模压成型工艺中，成型压力的大小决定于模料的品种和制品的结构复杂程度。成 型压力是选择压机吨位的依据。根据制品选取的单位压力，可按下列公式计算所需 的压机表压：
σ c = σ b2 + 4τ T2 =
T M + 4 W ≤ [σ −1b ] W T
2 2
该式修正后为
σc
重要的轴类零件
Mc = = W
M
2
+ (α T ) ≤ [σ −1b ] W
2
对于重要的轴类零件除了按以上进行计算外，还要进行安全系数校核以及弯曲和扭 转刚度的计算。
ktEt + ksEs = E kt + ks = 1
①式可以求出碳纤维、基体的体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ含量
⑤
λt ρ tVt ρt kt = = λ s ρ sV s ρ s k s λt + λ s = 1
②式即可求得含胶量
⑥
ρ = kt ρ t + k s ρ s
wt = λt w
ρπd 2 w = ρA = 4
表2.1
使用温度 <130℃ 130~230℃
不同基体复合材料的使用温度
>230℃ <1700℃
环氧树脂复合材料 3501 8552 PI500
BMI树脂复合材料 5250 5260 V378A
聚酰亚胺复合材料 PMR-15 LP-15 V-CAP-75
碳/碳复合材料
大量的设计数据 成型工艺好 在130℃下长期使用
四、轴类零件的力学性能校核
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭 矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径。按其轴线形状分为直轴 和曲轴，根据承载情况直轴又可分为转轴、心轴和传动轴。不同的轴类零件应用于 不同德场合，对其的强度计算方法也不尽相同。 只受转矩和受弯矩不大又不重要的轴类零件(如传动轴) 对于这类轴类零件其强度条件为
压制前准备
加 料
成型
脱模 校 形
修整
成品
SMC成型工艺流程简图
•SMC SMC作为一种先进的热固性复合材料，在整个成型工艺中占据举足轻重的位置。其 中间芯材是由经树脂糊充分浸渍的短切纤维组成，上下两面用聚乙烯薄膜覆盖。在 加料时，按照要求裁剪成一定尺寸，揭去两面的PE膜，按一定要求叠放于金属对模 中加温加压成型。 •模具设计 模具应该具备以下几个性能:能承受制品材料的成型条件；（对于热固性复合材料成 型条件为固化温度120~180℃。）升温速度快；具有高精度的成型面，切模具材料 的热膨胀系数必须与待成型的碳纤维复合材料制件的热膨胀系数相匹配，以免成型 制件变形。
T 9.55 × 16 × 10 6 P τT = = ≤ [τ T ] 3 WT πd
由此计算出的轴径一般作为最小处的直径。如果在该处有键槽，则应考虑它削弱轴 的强度。若有一个键槽，d值应增大5%；有两个键槽应增大10%。
同时受弯矩和转矩作用的轴类零件（如转轴） 对于同时受到弯矩和转矩作用的轴类零件，可针对某些危险截面进行强度计算。一 般先按第一种方法进行估算，然后按弯矩和转矩的合成强度进行校核计算，根据第 三强度理论，其强度条件为
材料的结构设计 1、增强材料的配置 2、树脂系统的选择 根据制品不同形状与使用性能采用不同的增强材料配置。 根据制品的使用要求进行设计。
3、碳纤维与基材的配比 根据性能要求确定纤维与树脂比率。 假定拉挤制品的直径为d，所要求达到的轴向弹性模量为E，采用T300 3K碳纤维纱则 可按如下方法计算制品的含胶量以及所需碳纤维股数。
大量的设计数据 与环氧树脂相似的工艺 湿热性能数据缺乏
需高温、高压成型 优异的热氧化稳定性 树脂成本高、设计经验缺乏
优异的抗热应力能力 可灵活设计结构 可在1700℃以下的环境
三、成型技术
碳纤维复合材料的成型方法有多种，应根据碳纤维复合材料的基体材料类型、成型 构件的结构来选择合适的成型工艺。针对轴类零件并采用碳纤维增强树脂基复合材 料可由多种成型方法得到。像模压成型、注射成型（对模成型）；真空袋成型（接 触成型）以及其他的一些重要成型法如纤维缠绕成型、拉挤成型等。 • 基本的成型加工过程示意图 原材料 加热、加压 浸渍 固化 二次加工
成型加工
成品 • 成型三要素 碳纤维树脂基复合材料的成型基本上可分为以下三个要素：① 赋形；② 浸渍； ③ 固化。这三个要素相互影响，通过对其有机的调整与组合，可经济地成型复合 材料。
• 成型工艺的选择 对应制品的性能、产量、价格的原材料及三要素的组合，制作碳纤维轴类零件有 各式各样的成型方法。
缠绕成型
n = 4, K = 1; n = 4, K = 2; n = 4, K = 3; n = 4, K = 4;
（2）由公式①求得相应的5个速比
i = 1+
（3）由公式②求出各自的di值
K n
①
di =
Lc R x −
K πDRY n K 2 R x + πD n
②
（4）缠绕角的计算
α = tg −1
5.1 6 6.4 10 10 ——
—— —— 6.12 —— —— ——
东丽 三菱人造丝 Azko BP Amoco 日本三菱化学 Hitco
在设计轴类零件时应当考虑到碳纤维的各向异性，其沿纤维方向的强度 要远大于垂直于纤维方向。
碳纤维的热性能
•热导率 碳纤维不仅密度小，而且热导率高，有些比金属还要高出很多。 •热膨胀系数 不论是PAN基碳纤维还是沥青基碳纤维，它们的热膨胀系数都远小于金属材 料。一些碳纤维的热膨胀系数甚至为负，当与热膨胀系数为正的基体材料 组成复合材料时，可以大大的降低因热膨胀带来的成型误差。 •碳纤维的热氧化 碳纤维的石墨化程度越高，抗氧化性能越好。碳纤维在空气中的安全使用 温度应该在300℃以下；在惰性介质中的温度可以达到2000℃，且拉伸强度 不下降，这是任何材料都无法比拟的。
K πD n Lc − 2d i
③
（5）头部包角的计算
β = 180 o −
3. 确定缠绕规律及其他
2d i K × 360 o ⋅ n Lc − 2d i
④
经以上计算，将上述4种线型算出的相应缠绕参数列表再按照缠绕规律的选择原则 4 结合实际进行分析比较得到一种比较合理的缠绕规律。然后根据求出的速比i值，考 虑缠绕过程中必须的错纱，为缠绕设计提供依据。最后根据产品要求，原材料性能 求出环向和纵向缠绕层数和强度计算。
纤维缠绕成型的特点就是制品比强度高，避免了布纹交织点与短切纤维末端的应力 集中，可使产品实现等强度结构。但是纤维缠绕制品开孔周围的应力集中程度高， 在缠绕过程中纤维的张力要控制适度，以免造成纤维的初始应力不匀，内外松紧不 等，影响制品强度。并且制品形状有局限性。 缠绕工艺参数 •纤维的烘干和热处理 •碳纤维浸胶含量分布 •缠绕张力 通常在60~80℃烘干24小时即可。 根据制品的具体要求决定含胶量。
与制品的强度和疲劳性能有密切的关系，过小制品强度偏低，过大则 纤维磨损大。需根据具体情况选择合适的缠绕张力。
•缠绕速度 •固化制度 •环境温度
通常指纱线速度，应控制在一定范围，切速度均匀。 由树脂系统决定。 保证胶纱在制件上进一步浸渍，可用红外线灯加热制品表面。
成型后还要对制品进行质量检验和控制，通过外观检查、固化度和衬里微孔的检查。 最后进行二次加工得到最后需要的碳纤维轴类零件。
性 牌号 拉伸强度/Gpa 弹性模量/Gpa 密度/ 能
g .cm −3
直径/µm
K数
生产厂
T800H MR50 HM-45 P-55S K13520U HMG-50
5.59 5.49 2.15 1.90 3.6 2.1~2.2
294 294 440 379 620 350~427
1.81 1.80 1.90 2.00 2.12 1.8
纤维缠绕成型是在控制纤维张力和 预定线型的条件下，将连续的纤维粗 纱或布带浸渍树脂胶液、连续的缠绕 在相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬 上，然后在室温或加热条件下使之固 化制成一定形状制品的方法。可分为 湿法缠绕和干法缠绕两大类型。缠绕 图案根据制品性能的要求进行设计和 缠绕。 缠绕成型得到的制品多为中空的，可用来成型轴类零件中 的传动轴，并且缠绕成型能够减小碳纤维材料的各向异性。
拉挤成型
拉挤成型是将连续长的增强纤维或织物经浸渍树脂后，在牵引机构的牵引下经过成 型模的挤压，加热固化而成型材。这种型材包括实心管材、空心管材和各种异型材 料。拉挤成型不能直接成型出变截面的制品，因此对于类似与阶梯轴类零件还需进 行二次加工。
拉挤成型示意图
拉挤全过程大致可以分为六个工序。 ① 供给整经的纱架 增强纤维筒有序地排列在纱架上，并经整经机构使其张力均匀。 ② 树脂槽 按设计要求排列好的纤维经干燥装置干燥后除去水分，进入树脂浸渍槽， 并通过树脂调控器控制树脂的浸渍量。 ③ 预成型模 调控预成型模的温度和停留时间，使其预成型。 ④ 固化成型模 经过固化成型模，使其固化成型。 ⑤ 牵引装置 在设定速度下，牵引机构以一定速度连续运行，是生产线的拉动力。 ⑥ 切割锯 将成型材料切割成所需尺寸。 拉挤成型的几个基本工艺参数为：成型温度、拉挤速度的确定以、牵引力以及夹持 里，要合理的处理四者之间的相关性。
⑦
由③式可求得每米碳纤维含量，再根据④式即可算出碳纤维股数。
wt Z= wi
⑧
采用拉挤成型碳纤维轴类零件的优点是生产成本低，连续性的制程，生产效率高， 树脂可直接含浸。但是制品的剪力强度差。
模压成型
模压成型(又称压制成型或压缩成型)是先将粉状,粒状或纤维状的塑料放入成型温 度下的模具型腔中,然后闭模加压而使其成型并固化的作业 。目前国际上使用最广 泛的就是SMC（片状模塑料）模压成型。